能見度自動與人工觀測在大霧中的分析與比較

竇以文，丁青蘭，胡保昆，史君卿

(1.北京市氣象信息中心，北京100089;2.北京市氣象臺，北京100089;3.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京100093)

能見度是氣象觀測的一項基本觀測要素，在天氣預(yù)報和環(huán)境監(jiān)測中具有重要意義。目前我國臺站能見度主要是人工觀測為主，而人工目測估計受主觀判別、視力、光照條件和目標(biāo)物視角的大小等影響［1-2］，另外，人工觀測無法做到分鐘級加密觀測。北京市氣象局作為2012年8個國家級地面氣象觀測臺站之一，開展地面氣象觀測自動化試點(diǎn)工作，自動觀測能見度資料應(yīng)用評估是其中重要內(nèi)容。已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對能見度自動觀測與人工觀測的差異［3-7］和能見度變化趨勢等［8-12］進(jìn)行了分析。筆者針對2013年1月一次持續(xù)較長時間的大霧天氣，從能見度自動觀測與人工觀測對比、自動觀測與道面觀測對比、能見度的時間序列應(yīng)用、空間應(yīng)用4個角度來對比分析能見度自動觀測與人工觀測。

1 資料與方法

1.1 大霧天氣過程概況 選取的天氣過程為一次持續(xù)時間較長的低能見度天氣過程，發(fā)生于2013年1月20日08:00～23日20:00。1月20日白天受低空切變線影響，北京出現(xiàn)降雪天氣，500 hPa高空槽于20日夜間過境，觀象臺夜間仍出現(xiàn)零星降水。降雪使近地層水汽進(jìn)一步增加，由于20日夜間冷空氣還沒有影響到北京，北京地面風(fēng)小，人工觀測的能見度僅有2～4 km，出現(xiàn)輕霧天氣。21日白天冷空氣東移南壓，地面北風(fēng)加大，北京天氣轉(zhuǎn)晴，能見度好轉(zhuǎn)，但隨著夜間氣溫下降，22日早晨北京東南部平原地區(qū)出現(xiàn)能見度不足1 km的大霧天氣，22日白天能見度略有好轉(zhuǎn)，以輕霧天氣為主，入夜后再次出現(xiàn)大霧天氣，直到23日后半夜又有一股冷空氣南下，大霧天氣才徹底結(jié)束。

1.2 數(shù)據(jù)與方法 由于組網(wǎng)試驗(yàn)期間只有南郊觀象臺、密云、順義、平谷4個站開展能見度自動觀測，因此選擇觀象臺、密云、順義、平谷這4個人工站進(jìn)行自動觀測與人工觀測的對比分析。以南郊觀象臺作為代表站，分析自動觀測的能見度與相對濕度的相關(guān)性，以考察自動觀測的能見是否合理可用。除了以上4個能見度自動觀測站外，北京地區(qū)還有28個道面觀測站也提供能見度數(shù)據(jù)，依然以南郊觀象臺為代表站，選擇離它最近的六道口橋道面觀測站分析二者的一致性，二者一致則表明可以組成覆蓋北京地區(qū)的高時間分辨率的能見度觀測網(wǎng)，在霧霾天氣的精細(xì)化預(yù)報與服務(wù)中發(fā)揮重要作用。

能見度觀測主要有器測和目測2種方法。目測能見度是指四周視野中二分之一以上的范圍能看到的目標(biāo)物的最大水平距離;器測能見度是指觀測儀測定的一定基線范圍內(nèi)的能見度，器測能見度儀主要有透射能見度儀、散射能見度儀、激光能見度測量儀和數(shù)字?jǐn)z像能見度儀［13-16］。這里主要是對比目測和DNQ1/V35前向散射式能見度儀。

針對能見度觀測項目進(jìn)行自動與人工觀測資料之間的對比差值統(tǒng)計，即自動與人工能見度的差值為自動觀測值減去人工觀測值。設(shè)Zi為第i時自動觀測值，Ri為第i人工觀測值，則第i時的對比差值X為:Xi=Zi-Ri，設(shè)觀測次數(shù)為n，則對比差值的平均值為，自動與人工觀測能見度的相對差值為Ni=(Zi-Ri)/Zi。

2 結(jié)果與分析

2.1 與人工能見度對比分析 經(jīng)統(tǒng)計，自動與人工能見度的差值平均為2 957 m，它們對比差值標(biāo)準(zhǔn)差為3 989，其差值在許可范圍內(nèi)，表明自動與人工能見度的差值偏差一致，穩(wěn)定性較好。

從圖1可以看到，人工觀測數(shù)據(jù)明顯大于自動觀測數(shù)據(jù)。觀象臺 02:00、05:00、08:00、11:00、14:00、17:00、20:00、23:00各時次人工與自動能見度差平均值分別為3 041、2 081、1 375、2 554、2 749、4 176、4 309、3 236 m，可見人工觀測與自動觀測差異較大的是20:00，其次為17:00，差異最小是08:00，可能是因?yàn)楸本┯^象臺附近20:00前有燃燒垃圾和鍋爐冒煙導(dǎo)致一定范圍環(huán)境能見度較低，影響觀測員能見度觀測，而自動觀測在觀測場范圍較小，所以影響較小。從平谷、順義、密云人工與自動的對比來看，人工觀測不同時次平均值均大于自動觀測站，兩者的變化趨勢一致。

圖1 2013年1月20日08:00～23日20:00觀象臺自動與人工能見度觀測對比

2.2 與道面自動觀測能見度對比分析 從道面自動觀測和臺站自動觀測2種能見度測量值隨時間的演變(圖2)可以看到，兩者一致性較好，差別較小。從順義臺站和距離較近的管頭大橋道面站、平谷臺站和距離較近的崔莊橋也可以明顯得出此結(jié)論。由此可以看到道面觀測站也可以與觀測臺站組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控全市能見度情況。

圖2 2013年1月20日08:00～23日20:00臺站和道面觀測能見度對比

2.3 時間序列應(yīng)用分析 從2013年1月20～23日北京南郊觀象臺溫度、露點(diǎn)溫度、能見度隨時間變化(圖3)可以看出，能見度與相對濕度關(guān)系密切，20日夜間隨著氣溫的降低，溫度露點(diǎn)差減小，相對濕度增大，能見度減小，相反，白天氣溫升高，能見度增大，可見能見度與溫度露點(diǎn)差有很高的相關(guān)性。1月20日夜間觀象臺溫度露點(diǎn)差只有1～2℃，相對濕度大，人工觀測為輕霧天氣，自動觀測的能見度維持1～2 km;21日白天隨著冷空氣南下，露點(diǎn)溫度降低，氣溫隨著太陽輻射而升高，導(dǎo)致溫度露點(diǎn)差增大，14:00達(dá)最大，為11℃，相應(yīng)的2種自動觀測的能見度也逐漸增大，14:00左右也達(dá)到最大值，但比人工觀測的能見度小，不足10 km;21日下午平流降溫和輻射降溫導(dǎo)致觀象臺氣溫迅速降低，溫度露點(diǎn)差又迅速減小，對應(yīng)自動觀測的能見度也很快減小，22日05:00能見度不足1 km，出現(xiàn)大霧天氣，與人工觀測結(jié)果一致;22日中午溫度露點(diǎn)差和能見度再次出現(xiàn)峰值;22日下午觀象臺溫度露點(diǎn)差和能見度又開始減小，22日夜間再次出現(xiàn)能見度不足1 km的大霧天氣;23日由于云覆蓋，氣溫上升幅度小，且地面露點(diǎn)增大，溫度露點(diǎn)差只有1～2℃，相應(yīng)的能見度變化也較小，穩(wěn)定維持在1.5 km以下。由此可見，自動觀測的能見度變化與溫度露點(diǎn)差的變化是一致的，體現(xiàn)了能見度與相對濕度高度相關(guān)性，表明能見度自動觀測結(jié)果合理可用。

圖3 2013年1月20～23日北京觀象臺溫度、露點(diǎn)溫度、相對濕度隨時間變化

2.4 空間應(yīng)用分析 2013年1月20日根據(jù)能見度實(shí)況與天氣情況，在17:00的預(yù)報及服務(wù)中，提示夜間能見度差。從能見度的分布來看，21日04:00北京地區(qū)能見度大多低于5 km，西部能見度高于東部能見度(圖4a);21日05:00京藏高速上的居庸關(guān)能見度加大，表明冷空氣開始影響到北京西北部，但東部地區(qū)能見度持續(xù)降低，尤其是平谷、順義及大興一帶能見度已不足1 km(圖4b)?？紤]冷空氣移動較慢，06:00預(yù)報東部地區(qū)有霧，并發(fā)布了大霧黃色預(yù)警信號，交管部門對高速公路采取了封路措施。21日10:00除東南部大興的梨花橋外，其他地區(qū)的能見度均在好轉(zhuǎn)，東北部平谷、順義一帶的能見度也超過了1 km(圖4c)，表明冷空氣東移南壓，即將影響全市，能見度對交通影響即將在中午前后結(jié)束。

21日夜間北京西部能見度比較高，大多在10 km以上，但隨著夜間氣溫降低，東部平原一帶能見度不斷下降，22日05:00觀象臺能見度不足1 km，平谷及通州一帶能見度甚至低于100 m(圖4d)，據(jù)此，氣象臺又發(fā)布了大霧黃色預(yù)警信號，并做了相關(guān)的氣象服務(wù)。22日11:00能見度普遍好轉(zhuǎn)，但東北部平谷能見度仍不足1 km(圖4e)。22日下午能見度又開始下降，16:00不僅平谷、順義一帶的能見度不足1 km，觀象臺的能見度也降至1 km以下(圖4f)，因此氣象臺22日16:30繼續(xù)發(fā)布大霧黃色預(yù)警信號。22日夜間北京平原地區(qū)的能見度大多不足1 km(圖4g)，23日早晨氣象臺繼續(xù)發(fā)布大霧預(yù)報和預(yù)警。

圖4 2013年1月21～23日北京地區(qū)能見度分布

由此可見，臺站觀測和道面觀測組成同一能見度觀測網(wǎng)，能夠很好地反映北京能見度情況，對于預(yù)報和服務(wù)具有重要作用。

3 結(jié)論

(1)北京南郊觀象臺、密云觀測站、順義觀測站、平谷觀測站人工觀測不同時次平均值均大于自動觀測站，但兩者的變化趨勢一致。

(2)觀測臺站和較近的道面觀測站隨著時間的演變，兩者有較好的一致性。

(3)從時間序列角度分析，自動觀測的能見度變化與溫度露點(diǎn)差的變化是一致的，體現(xiàn)了能見度與相對濕度高度相關(guān)性，表明能見度自動觀測結(jié)果合理可用。

(4)從空間應(yīng)用分析可以看到，臺站觀測和道面觀測組成同一能見度觀測網(wǎng)，能夠很好地反映北京能見度情況，對于預(yù)報和服務(wù)具有重要作用。

(5)臺站和道面自動觀測數(shù)據(jù)能夠反應(yīng)霧霾天氣過程，自動代替人工是可行的。但由于自動觀測數(shù)據(jù)明顯小于人工觀測數(shù)據(jù)，對于預(yù)報服務(wù)中霧霾的標(biāo)準(zhǔn)與能見度有關(guān)的部分需要修訂。

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